疲れ限度 金属加工における表面処理と強度設計

疲れ限度と金属加工の関係

疲れ限度の基本概念と材料による違い

疲れ限度（疲労限度）とは、金属材料に一定の力（応力）を繰り返し与え続けたときに、何回繰り返しても疲労破壊が起こらない応力の下限値のことです。この概念は金属加工や設計において極めて重要で、「疲労限」「耐久限度」「耐久限」などとも呼ばれています。

 

日常的な例で考えると、缶ジュースのプルタブを何度も曲げ伸ばしすると、最終的には破断します。この現象こそが金属疲労であり、それに耐える限界値が疲れ限度なのです。

 

材料によって疲れ限度の特性は大きく異なります。

 

• 鉄鋼材料：明確な疲れ限度が存在し、S-N線図（応力と破断までの繰り返し回数の関係図）上で水平部分が現れる。一般的に引張強さの50～60%程度[4]

 

• アルミニウム合金：一般的には明確な疲れ限度が存在せず、どんなに小さな力でも繰り返し回数が増えると最終的に疲労破壊する[1][4]

 

• 特殊例：AL-Mg系合金（5000番台）では例外的に10^7回付近からS-N曲線が水平になり、疲れ限度が存在する[4]

 

• 銅合金など非鉄金属：多くの場合、疲れ限度が存在しない[2]

材料が疲れ限度を持つかどうかのメカニズムについては、現在のところ確固たる定説は存在しませんが、鉄鋼のような明瞭な降伏を示す材料は疲れ限度を持ち、非鉄金属のような降伏を示さない材料は疲れ限度を持たない傾向があります。

 

さらに興味深いのは、高強度の鉄鋼材料では、10^6～10^7回付近でS-N曲線が水平になった後、10^8～10^9回以上の超高サイクル領域で再びS-N曲線が右下がりになり、疲れ限度が消失するケースがあることです。この現象は「超高サイクル疲労」と呼ばれ、通常の疲労が材料表面から始まるのに対し、材料内部から亀裂が発生・進展するという特徴があります。

 

金属加工が疲れ限度に与える表面効果の影響

金属疲労は表面から疲労破壊が始まることが大半であるため、金属加工による表面状態の変化が疲れ限度に大きな影響を与えます。

 

表面効果とは、機械加工、熱処理、表面処理などによって材料表面に形成される加工層が疲労強度に与える影響のことです。これを理解することは、金属加工において極めて重要です。

 

表面状態による疲れ限度への影響要素。

 

• 表面粗さ（表面凹凸）：粗さが大きくなるほど疲労強度は低下する。表面の凹凸が切欠き作用を持つため[3]

 

• 冷間加工による硬化：表面硬さの増加は疲労強度の向上につながる[3]

 

• 残留応力：引張残留応力は疲労強度を低下させ、圧縮残留応力は疲労強度を向上させる[3]

金属加工方法と表面効果の関係。

 

• 切削加工：表面粗さによる疲労強度の変化だけでなく、引張残留応力が発生すると予想以上に疲労強度が低下する場合がある[3]

 

• 研削加工：細かい表面粗さを得られるが、不適切な条件では引張残留応力が生じることがある[3]

 

• 研磨加工：表面粗さを最小限に抑えられるが、残留応力の制御が重要[3]

 

• 熱間圧延・鍛造：黒皮材料では表面粗さの影響に加え、表面脱炭層形成による引張残留応力で疲労強度が大きく低下する[3]

特に重要なのは、材料の引張強さが大きいほど表面粗さによる疲労強度低下の影響も大きくなるということです。つまり、高強度材料ほど表面仕上げの品質が疲れ限度に大きく影響します。

 

表面粗さと表面係数（表面状態の差による疲労強度の変化率）の関係は、材料の引張強度によって異なりますが、一般的に表面粗さが小さいほど表面係数は大きくなります。これは表面粗さが小さいほど疲労強度が向上することを意味します。

 

疲れ限度を向上させる表面処理技術

金属部品の疲れ限度を向上させるための表面処理技術は多岐にわたります。適切な表面処理を選択することで、部品の疲労寿命を大幅に延ばすことが可能です。

 

主要な表面処理技術と疲れ限度への効果。

 

1. 高周波焼入れ
   
   
   
   • 急速加熱後急冷することで、材料表面を硬化させる方法

    

   • 表面硬化と同時に圧縮残留応力が発生し、疲労強度が大幅に向上する

    

   • 焼戻し温度が高いと圧縮残留応力が低下するため、疲労強度向上のためには低温焼戻しが推奨[3]

    

 

2. 窒化処理
   
   
   
   • 500～600℃の温度域で外部から窒素を浸透させ、鉄窒化物や窒素固溶体を形成

    

   • 表面硬度が大幅に向上し（HV1000以上）、耐摩耗性と疲労強度を改善

    

   • 軟窒化法は表面硬さHV600～800程度だが、処理時間が短く疲労強度改善効果は高い[3]

    

 

3. ショットピーニング
   
   
   
   • 直径1mm程度の硬い球を材料表面に高速投射する加工法

    

   • 表面に加工硬化と圧縮残留応力を付与し、疲労強度を約50%向上させる

    

   • 炭素量が多い高強度材料ほど効果が大きく、特にコイルばねの疲労強度改善に有効[3]

    

 

4. 表面ロール加工
   
   
   
   • 表面層に限定して塑性加工を施す方法

    

   • 加工硬化と圧縮残留応力の発生により疲労強度が向上

    

   • 加熱しながら加工するとひずみ時効で表面硬さがさらに向上[3]

    

 

5. めっき処理
   
   
   
   • 大気中の疲労限度は一般的に低下するが、腐食環境下では耐食性のために疲労限度が向上

    

   • 電気亜鉛めっきは疲労限度にほとんど影響しないが、溶融亜鉛めっきでは高強度材料の疲労限度が低下[3]

    

これらの表面処理技術を選択する際は、部品の使用環境や要求される疲労寿命、コスト制約などを総合的に考慮する必要があります。特に、高周波焼入れとショットピーニングの組み合わせは、互いの効果を補完し合い、より高い疲労強度向上が期待できます。

 

金属材料の表面改質による疲労強度向上に関する最新研究（日本材料学会誌掲載論文）

金属加工設計における疲れ限度の計算方法

金属部品の設計において、疲れ限度を正確に把握し、適切な安全係数を設定することは非常に重要です。ここでは、現場で活用できる疲れ限度の計算方法を紹介します。

 

疲れ限度の基本計算式
材料試験データがない場合でも、静的引張試験のデータから疲れ限度を概算する方法があります。

 

• 炭素鋼の回転曲げ疲れ限度(σwb)：
  σwb＝0.25(σy＋σB)＋5

 

• 特殊鋼の回転曲げ疲れ限度(σwb)：
  σwb＝0.2(σy＋σB)＋10

ここで、σyは材料の降伏点、σBは材料の引張強さです。

 

負荷条件による疲れ限度の換算
回転曲げ疲れ限度(σwb)から、他の負荷条件における疲れ限度を推定できます。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

負荷条件	疲れ限度の計算式
平面曲げ疲れ限度(両振り)	σwp＝(0.8～1)×σwb
平面曲げ疲れ限度(片振り)	σwp＝(1.6～1.7)×σwp(両振り)
引張圧縮疲れ限度(両振り)	σwz＝(0.7～0.9)×σwb
片振り引張りの疲れ限度	σuz＝(1.6～1.65)×σwz(両振り)
圧縮片振りの疲れ限度	σ-uz＝(2.55～2.8)×σwz(両振り)

平均応力の影響を考慮した計算
実際の使用条件では、応力振幅が同じでも平均応力の有無によって疲れ限度が変化します。この関係を示すのが疲労限度線図（耐久限度線図）です。

 

疲労限度線図には以下の種類があります。

 

• Haighの方法：横軸に平均応力、縦軸に応力振幅を取る線図

 

• Smithの方法：横軸に平均応力、縦軸に最大応力と最小応力を取る線図

 

• Goodmanの方法：横軸に最小応力、縦軸に最大応力を取る線図

一般に、引張りの平均応力が加わると疲れ限度は低下し、圧縮の平均応力が加わると疲れ限度は上昇します。このため、疲労限度線図は右下がりの曲線となります。

 

表面状態の影響を考慮した補正
理論上の疲れ限度を実際の部品に適用する際は、表面状態の影響を考慮する必要があります。表面係数（表面効果係数）により補正を行います。
実際の疲れ限度 = 理論上の疲れ限度 × 表面係数
表面粗さが大きくなるほど表面係数は小さくなり、特に高強度材料ほどその影響は顕著になります。

 

疲れ限度を考慮したアルミニウム合金部品の設計手法

アルミニウム合金は軽量で加工性に優れる材料ですが、多くの種類では明確な疲れ限度が存在しないという特性があります。この特性を理解した上で、いかに効果的に設計するかが重要です。

 

アルミニウム合金の疲労特性の理解
アルミニウム合金の大きな特徴は、一般的に疲れ限度が存在しないことです。これは、どんなに小さな力でも繰り返し負荷を受け続けると、いずれは疲労破壊を起こすことを意味します。

 

ただし、AL-Mg系合金（5000番台）では例外的に10^7回付近からS-N曲線が水平になり、疲れ限度が存在します。その他のアルミニウム合金でも、便宜上10^7回時の応力を疲れ限度として扱うことがあります。5000番台、6000番台のこの「疑似疲れ限度」は、一般的に引張強さの40～55%程度とされています。

 

アルミニウム合金部品の設計アプローチ
疲れ限度が存在しないアルミニウム合金を使用する場合の設計アプローチには以下の方法があります。

 

1. 有限寿命設計
   
   
   
   • 想定使用サイクル数に十分な安全率を見込む

    

   • 例：10年間の使用で想定される繰り返し回数の3～5倍のサイクル数に対する強度を確保

    

 

2. 適切な合金選択
   
   
   
   • 疲れ限度を持つAL-Mg系合金（5000番台）の活用

    

   • 繰り返し負荷を多く受ける部位には、疲労特性の優れた合金を選択

    

 

3. 表面処理による強化
   
   
   
   • ショットピーニングによる表面の圧縮残留応力の付与

    

   • 陽極酸化処理による表面硬度の向上と耐食性の確保

    

 

4. 応力集中の回避
   
   
   
   • 形状設計で応力集中部を最小化（急激な断面変化の回避、十分な丸みの付与）

    

   • 表面仕上げ精度の向上（加工傷や凹凸の最小化）

    

設計事例：アルミニウム合金製自転車フレーム
アルミニウム合金製自転車フレームは繰り返し荷重を受ける典型的な例です。設計において重要なポイント。

 

• 溶接部は強度が低下するため、疲労強度の低下を織り込んだ設計が必要

 

• 溶接後の熱処理により残留応力を緩和

 

• 表面の傷やバリを除去し、滑らかな表面仕上げを確保

 

• 重要部位にはショットピーニングなどの表面処理を適用

アルミニウム合金の疲労特性に関する研究（物質・材料研究機構）
アルミニウム合金部品の設計では、「疲れ限度がない」という特性を理解した上で、使用条件に適した合金選択と表面処理、形状設計を総合的に考慮することが重要です。特に、繰り返し負荷を受ける箇所での使用を最小限に抑える、あるいは適切な補強設計を行うことが求められます。

 

金属加工の現場では、この特性を十分に理解し、材料選定から加工方法、表面処理まで総合的に考慮した設計・製造プロセスを確立することが、高信頼性部品の実現につながります。